Actualiza tus conocimientos sobre equipos de monitorización de corrientes residuales RCM

En Grupo Elektra te ofrecemos periódicamente artículos técnicos de diferente temática, orientados a perfeccionar las capacidades de los profesionales. En el día de hoy, nuestro compañero Quim Soler, responsable del Área de Componentes Industriales, te asesora sobre monitorización de corriente residual (RCM).

1. Introducción

Muchas aplicaciones críticas deben garantizar la continuidad del servicio:

• Como una línea de producción industrial donde el proceso no debe interrumpirse o un centro de datos, donde los datos no deben perderse o corromperse.

Las consecuencias de perder la continuidad del servicio pueden ser desastrosas, con importantes costos de capital, altos costos de recuperación y problemas de calidad.

La elección del sistema de puesta a tierra guiará en gran medida la estrategia de continuidad del servicio, en particular para protegerse contra los riesgos de activar los dispositivos de protección. Especialmente en el caso de un TN-S o TT, es importante anticipar los riesgos de disparo de las protecciones diferenciales mediante la monitorización de las corrientes de fuga a tierra.

Esta monitorización se realiza mediante dispositivos denominados “equipos de monitorización de corriente residual (RCM en sus siglas en inglés)”.

Así mismo, en los entornos industriales en el que se instalan máquinas y sus cuadros eléctricos de control y automatización, suelen existir problemas con los disparos intempestivos de los interruptores diferenciales, y en los que tener información de las corrientes residuales, puede ayudar a evitar estos disparos intempestivos. Controlar el aislamiento de las máquinas, avisando ante posibles fallos de éste, ayuda a garantizar la continuidad de servicio.

2. Sistemas de puesta a tierra

Se representan con dos letras:

• La primera letra se refiere a la posición del neutro en el transformador de suministro en relación con la Tierra
• La segunda letra se refiere a la conexión de las partes conductoras expuestas del equipo.

2.1. Sistema de puesta a tierra TT

En el sistema de puesta a tierra TT, el neutro del transformador está conectado directamente a tierra. Las partes conductoras expuestas de la instalación eléctrica están conectadas a electrodos de tierra que son eléctricamente independiente de la del transformador.

En el caso de una falla de aislamiento, hay un corte automático de todo o parte del suministro de todas las cargas.

En el sistema TT, la seguridad personal está garantizada evitando el contacto indirecto con el uso de dispositivos de corriente residual (Interruptores Diferenciales RCD). La desconexión del circuito es obligatoria desde la primera falta. Al menos debe colocarse un Interruptor Diferencial en el origen de la instalación.

• Neutro del transformador conectado a tierra (T).

• Partes conductoras expuestas a tierra (T) del equipo.

Protección: Dispositivo de corriente residual (RCD).

El sistema TT se encuentra principalmente en el sector residencial y de pequeñas empresas.

2.2. Sistema de puesta a tierra TN

En el sistema TN, el neutro del transformador está conectado directamente a tierra. Las partes conductoras expuestas de la instalación eléctrica están conectadas al conductor de protección distribuido por toda la instalación.

El conductor neutro (N) y el conductor de protección (PE) pueden combinarse (TN-C) o separarse (TN-S). Un defecto de aislamiento limpio provoca un cortocircuito: los dispositivos de protección contra sobrecorriente protegen la instalación. Debe verificarse (medición de la impedancia de bucle) que el cortocircuito que provoca un fallo de aislamiento hace disparar la protección contra sobrecorrientes en el tiempo estipulado (5 segundos)

Esta verificación puede ser difícil, con lo que habitualmente se suelen emplear, además, los interruptores diferenciales (en sistema TN-S).

Esquema TN-C

• Neutro del transformador conectado directamente a tierra (T).
• Partes conductoras expuestas del equipo conectadas al conductor de protección.
• Los conductores neutro (N) y de protección (PE) se combinan (C). El conductor PEN resultante.

(Protector y Neutro) nunca debe desconectarse.

Protección: dispositivo de protección contra cortocircuitos.

Esquema TN-S

• Neutro del transformador conectado directamente a tierra (T).
• Partes conductoras expuestas del equipo conectadas al conductor de protección.
• Partes conductoras expuestas del equipo conectadas al conductor de protección.
• Neutro (N) y protector (PE) separados (S).

Protección: dispositivos de protección contra cortocircuitos y dispositivos de corriente residual (RCD).

Las redes TN se encuentran normalmente en la industria, las infraestructuras, los servicios y los centros de datos. Más económico de implementar que el sistema TN-S, el sistema TN-C se implementa en grandes sitios industriales.

2.3. Sistema de puesta a tierra IT

En el sistema IT, a diferencia de otros sistemas, el neutro del transformador no está conectado a tierra. Las partes conductoras expuestas de la instalación eléctrica están conectadas a tomas de tierra. En comparación con otros sistemas, la ventaja del sistema IT es que un fallo de aislamiento no provocará una interrupción del suministro.

• El neutro del transformador no está conectado a tierra o conectado voluntariamente a través de una impedancia de alto valor (generalmente 1500 Ω).
• Partes conductoras expuestas del equipo conectadas al conductor de protección (T).
• Los conductores neutro (N) y de protección (PE) están separados.

Primer fallo: Dispositivo de control de aislamiento (IMD).

Debe localizarse el fallo, puesto que, ante la aparición de un segundo fallo, se generaría un cortocircuito Protección: si hay una segunda falla, dispositivos de protección contra cortocircuitos y dispositivos de corriente residual (RCD).El sistema IT se utiliza en instalaciones muy críticas como quirófanos de hospitales, instalaciones de recepción pública, plantas de refrigeración, centrales eléctricas y campos fotovoltaicos.

3. Corriente Residual

En un sistema/línea sin fallo de aislamiento, la suma de los vectores de corriente de las tres fases y el neutro es cero.

Si una corriente I_Δ fluye a través del conductor PE u otra ruta, la suma vectorial de todas las corrientes de fase y neutro ya no es cero. La corriente resultante I_Δ se denomina corriente de fuga o corriente residual. Un transformador de corriente residual (incorporado en un interruptor diferencial, o asociado a un relé de protección) que encierra todos los conductores activos y neutros puede medir el valor de esta corriente residual.

3.1. Fuentes de corriente residual

Las corrientes residuales están presentes de forma natural en las instalaciones eléctricas. Cada carga genera en promedio una corriente residual de unos pocos mA.

Las corrientes residuales se componen de una parte capacitiva y una parte resistiva.

• Las corrientes capacitivas, presentes en condiciones normales de funcionamiento, fluyen a tierra a través de los condensadores de los filtros CEM de la máquina, por ejemplo. Estos filtros están destinados a limitar la interferencia electromagnética. También pueden fluir a través de las capacidades parásitas presentes en la instalación (por ejemplo, los cables, con relación a tierra, se comportan como condensadores).
• Las corrientes resistivas se crean por fallos de aislamiento entre las tensiones de fase y tierra.

El riesgo para la instalación proviene principalmente del aumento de las corrientes resistivas residuales generadas por:

• Aislamiento insuficiente debido a daños mecánicos de los cables conectados al equipo.
• Resistencia de aislamiento demasiado baja debido a la humedad o al polvo.
• Un deterioro en el aislamiento de los cables eléctricos debido al calentamiento.

Cualquier cambio en el aislamiento reduce la resistencia eléctrica de los materiales aislantes y conduce a un aumento de las corrientes residuales. Si son demasiado altas, estas corrientes residuales pueden provocar perturbaciones en el sistema eléctrico, en cuyo caso nos referimos a las corrientes de defecto a tierra.

3.2. Consecuencias de las corrientes de defecto a tierra:

Las corrientes de falla provocan incidentes que pueden afectar tanto a los equipos industriales en las unidades de fabricación con posibles riesgos de incendio, como a la seguridad de quienes trabajan allí con riesgo de descarga eléctrica.

4. Normativa Relevante

La norma de referencia son la serie de normas de instalaciones eléctricas en BT, UNE EN 60364.

En concreto:

• Parte 4-41: protección contra el choque eléctrico.
• Parte 4-42: protección contra los efectos térmicos.

Estas normas se transponen en el REBT, en concreto en su ITC-BT-24 (Protección contra los contactos directos e indirectos).

En lo que hace referencia al equipo eléctrico de las máquinas, la norma de referencias seria la UNE EN 60204-1 (Seguridad en Máquinas. Equipo eléctrico de las máquinas), que en su artículo 6, sobre la “Protección contra los choques eléctricos”, determina que las medidas de protección para esta protección son las definidas en la norma CEI 60364-4-41. De esta forma, debe asegurarse la:

• Protección contra contactos directos: protección mediante envolventes, que evite los contactos directos (IPXXB).
• Protección contra los contactos indirectos.
  • Mediante medidas que eviten la aparición de tensiones de contacto peligrosas: aislamiento clase II, transformadores de aislamiento.
  • Por desconexión de la alimentación antes de que el tiempo de contacto con una tensión de contacto pueda ser peligroso.

Para la implementación de esta última medida, es necesaria una coordinación entre el tipo de alimentación y el sistema de puesta a tierra, los valores de impedancia de los diferentes elementos del sistema de protección equipotencial, y las características de los dispositivos de protección. Esta medida de protección comprende a la vez:

• Conexión de las partes conductoras expuestas (masas) al circuito de protección.
• También:
  • Sistema TN: dispositivo de protección contra sobreintensidades.
  • Sistema TT: uso de interruptores diferenciales.
  • Sistema IT: Controladores de aislamiento.

La norma UNE EN 60204-1, no especifica las sensibilidades de los diferenciales a usar.

Los diferenciales de sensibilidad 30 mA, son usados como refuerzo en caso de que fallen los elementos de protección contra los contactos directos. Y obligatorios para los circuitos de las máquinas que estén provistas de tomas de corriente.

4.1. ¿Debemos instalar interruptores diferenciales en los cuadros eléctricos de las máquinas?

En función del esquema de conexión a tierra.

Para el esquema TT:

• Normalmente este tipo de cuadros están alimentados desde un Cuadro General en el que ya está incorporada la protección diferencial.
• No sería necesario incorporar un interruptor diferencial general.
• Para alcanzar criterios de selectividad, podría ser necesaria la subdivisión de circuitos y añadir una protección diferencial en alguno de los circuitos de la máquina.
• La sensibilidad de la protección diferencial podría ser de 300 mA (si la protección contra contactos directos se consigue mediante barreras/envolventes).
  •  Necesario controlar las fugas no debidas a fallos de aislamiento, que podrían provocar disparos intempestivos.
    • Por ejemplo, las debidas a capacidades parásitas, a la fugas provocadas por los filtros CEM, etc…

En esquema TN: protección contra contactos indirectos (Anexo A, norma UNE EN 60204-1).

• Asegurar que los equipos de protección disparen en el tiempo especificado: la impedancia de bucle/lazo (loop) de defecto, debe ser tal que se cumpla.
  • Zs: impedancia de bucle comprendiendo la fuente (A-N), el conductor activo hasta el punto de fallo (A-B-C) y el conductor de protección entre el punto de fallo y la fuente (C-D-E-N).
  • Ia: la corriente que produce la desconexión automática del elemento de protección en el tiempo especificado.
  • Uo: tensión nominal a tierra.

• Como las medidas se realizan a temperatura ambiente y corrientes bajas, debe considerarse un aumento de la resistencia de los conductores cuando aparece un fallo. Debe considerarse:
  • Zs(n) = impedancia medida o calculada en condiciones normales.
  • Ia: mínima corriente por la que dispara por cortocircuito la protección.
  • Uo: en sistemas 400 V à 230V.

• La impedancia de bucle debe medirse/verificarse.
• Ante las posibles problemáticas de verificación de esta impedancia de bucle, se suelen instalar protecciones diferenciales. En este caso podrían ser con sensibilidades superiores a 300 mA, ya que las corrientes de fuga son muy elevadas (cortocircuito fase-neutro).

En ambos casos, sí podría ser interesante medir las corrientes de fuga residuales, y en el caso de que estén instalados interruptores diferenciales, programar alarmas para anticiparse al posible disparo de los diferenciales.

Un RCM monitorea la corriente residual y activa una alarma cuando la corriente residual alcanza un valor preestablecido.

El principio del RCM es el siguiente: Un RCM combinado con un transformador de corriente residual mide las corrientes residuales. Si la corriente residual excede un umbral de alarma preestablecido basado en la configuración de instalación, el RCM alerta inmediatamente al usuario. Si programamos el umbral de alarma con valores inferiores a la sensibilidad del diferencial, podemos evitar (revisando la instalación) el disparo de estas protecciones, evitando por ejemplo, el paro de las máquinas/procesos.

Además de activar las alarmas, el RCM aporta los siguientes beneficios:

• Medición permanente y continua de la corriente de defecto.
• Accesible en tiempo real.
• Registra variaciones en función de la hora, día, semana…
• Identificar variaciones de corriente residual en función de los equipos que operan en la instalación.

5. Ubicación de los RCM en instalaciones

Para ser efectivos, los dispositivos de monitoreo de corriente residual (RCM) deben instalarse lo más cerca posible a las cargas en un sistema de puesta a tierra TN-S.

La suma de las corrientes residuales en la instalación eléctrica es en realidad una suma vectorial. Esto implica que no solo se debe tener en cuenta el valor de la corriente residual, sino también su fase. Para este efecto, en la mayoría de los casos, la corriente residual medida en la entrada principal será menor que la suma de las corrientes residuales medidas en las cargas individuales. Como tal, una corriente residual medida solo en la entrada principal de la instalación, por lo tanto, no será necesariamente representativa de todas las corrientes residuales que fluyen en la instalación.

Por razones económicas puede ser complicado instalar un RCM en cada carga/línea. En este caso, se podrían agrupar cargas.

5.1. Medida en el conductor de protección PE

Medida aguas arriba del conductor de protección.

En algunas instalaciones, medir la corriente residual en la entrada principal a veces puede resultar difícil en la práctica:

• Barras de cobre excesivamente anchas.
• No hay suficiente espacio disponible.

Estas limitaciones dificultan la adición de un transformador de corriente residual para encerrar todas las fases. Como las corrientes I_Δ e I_PE son idénticas en la entrada principal, una solución es medir, en lugar de la corriente residual I_Δ, la corriente que fluye en el conductor de tierra de protección (PE) I_PE.

La medición de la corriente que fluye a través del conductor PE también permite detectar una rotura de este conductor cuando no fluye corriente.

Medida del conductor PE a nivel de carga.

La medición del conductor PE también se puede implementar a nivel de carga. La ausencia de la corriente I_PE (I_PE = 0) indica tres escenarios posibles:

• La corriente que circula en el PE es menor que el nivel de ruido natural
  • La corriente que circula en el conductor PE es muy baja
  • Las cargas no están alimentadas, por ejemplo, máquinas paradas -> No hay corriente en el conductor PE
  • Las cargas están en un estado normal de funcionamiento, se conoce la corriente PE -> Hay una interrupción en el Conductor de PE

Esta última situación es particularmente crítica porque puede dar lugar a un riesgo de interrupción, por ejemplo de un proceso industrial y un peligro para los operadores. Por tanto, es importante controlar el estado del conductor PE. Esta monitorización se puede implementar activando una alarma tan pronto como la corriente que fluye a través del conductor PE es menor que un valor medido durante el funcionamiento normal.

6. Verificaciones periódicas y RCM

• La norma CEI 60364-6 para instalaciones eléctricas de baja tensión  “Parte 6: Verificaciones” requiere:
  • Que un tercero autorizado lleve a cabo una verificación periódica de la instalación. El intervalo máximo entre dos verificaciones periódicas generalmente lo establecen las regulaciones legales o nacionales.
  • En la mayoría de los países, el intervalo de verificación es de un año.
  • El coste de la verificación periódica no es despreciable, pudiendo llegar a decenas de miles de euros dependiendo del tamaño de la instalación eléctrica.
  • La verificación incluye probar la resistencia del aislamiento de la instalación. Esta prueba es invasiva; requiere inyectar altos voltajes de 500 VCC y, por lo tanto, puede presentar un riesgo para las personas y los equipos. Una alternativa es instalar un RCM como se recomienda en IEC 60364-6 , apartado 6.5.1.2.
  • Esta cláusula especifica que cuando un circuito está sujeto a monitoreo permanente por un dispositivo RCM que cumple con IEC 62020, entonces no es necesaria la medición periódica de la resistencia de aislamiento.
    • Esta alternativa también se menciona en el estándar de instalación en Alemania. DIN VDE 0105-100 / A1: 2017-6 y UK BS7671 18th Edition reglamento 651.2.
    • También se está implementando en muchas transposiciones locales del estándar IEC 60364-6.

6.1. Tipos de RCM

Los tipos de RCM son los mismos que los distintos tipos de interruptores diferenciales:

7. Equipos RCM: Monitorización de Corriente Residual

7.1. Analizadores de redes que incorporan la medición de la corriente residual

Weidmuller: analizador EA550

• Medición de la corriente del conductor de protección, mediante transformador de intensidad.
• Medición de la corriente residual, mediante toroidal.

7.2. Relés diferenciales con visualización de la corriente residual

Circutor: Tipo A, Tipo B

7.3. Sistemas Inteligentes y versátiles

Socomec, sistema DIRIS Digiware RCM

DIRIS Digiware RCM es un sistema de monitoreo de energía que también incluye monitoreo de corriente residual para instalaciones eléctricas TN-S y TT. El sistema se basa en un concepto modular de monitorización múltiples circuitos.

Está compuesto por:

1. Una interfaz de alimentación y comunicación que actúa como punto de acceso a las medidas. Viene en forma de una puerta de enlace de comunicación DIRIS Digiware M-50 / M-70 o una pantalla DIRIS Digiware D-50 / D-70 de montaje en panel.
2. Un solo módulo de adquisición de voltaje DIRIS Digiware U, utilizado como referencia de voltaje para los otros módulos.
3. Uno o más módulos de monitoreo de corriente residual combinados con las funciones de medición de corrientes de carga: DIRIS Digiware R-60.
4. Sensores de corriente.
5. Toroidales para mediad de corrientes diferenciales.
6. Cables de conexión RJ12.

Cada módulo DIRIS Digiware R-60 permite la conexión de 6 sensores:

• Estos sensores pueden ser tanto transformadores de intensidad para medición de corrientes como el toroidal para la corriente diferencial.
• De esta forma existe la opción para una línea/carga de usar un módulo para medir las corrientes (y consumos) y la corriente diferencial, o asociar a cada módulo hasta 6 toroidales para medir la corriente diferencial de hasta 6 líneas/circuitos.

7.4. Numerosas alarmas inteligentes para garantizar un funcionamiento sin problemas

• Alertas sobre corriente residual IΔ:
  • Las alarmas de medición de IΔ se basan en un umbral elegido por el usuario. Estas alarmas tienen varias funciones:
    • Para alertar que la corriente residual se acerca al umbral de disparo del RCD.
    • Para advertir de un deterioro en el aislamiento de la instalación que podría provocar fallas de aislamiento, descargas eléctricas o incendios.
    • Alarmas dinámicas para corrientes residuales IΔ.
    • Alarmas sobre la corriente del conductor PE de las cargas.

7.5. Visualización

• Pantallas de visualización.

• Registro temporal (visualizado en la pantalla).

• Visualización en el servidor web de las pantallas de visualización WEBVIEW.

8. Documentación de referencia

• Socomec: TECHNICAL NOTE : How to choose your residual current monitoring (RCM)
• Catálogos Weidmüller y Circutor